方型和矩型环管湍流直接数值模拟分析：I.平均流场,对直管道充分发展湍流边界层的再认识

通过对槽道,方型环管及矩型环管内一系列充分发展湍流的系统直接数值模拟研究,建立直管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据：（1）湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流（史称Prandtl第二类二次流）;（2）湍流雷诺应力场;（3）湍流能量谱.在此基础上,作为系统研究的第一部分,本文对这些流动构型的湍流平均流场,包括平均流向速度,由湍流驱动的平均二次流结构以及平壁-角域剪切应力等,进行仔细剖析,进而总结出具有规律性的重要物理内涵.建立了直管内充分发展湍流边界层的广义壁面律,其中涵盖了von Karman平壁律和Xu90°凸,凹角域律.通过构造广义抑制函数和广义加强函数来定量描述和揭示这些规律之间的数学物理联系.首次提出在广义湍流边界层的框架下,泛型直管道边界层内层底部无量纲壁面切应力可以在一个较为宽广的范围内存在,即w0Ud3.23.5.而传统意义上由von Karman平壁律所支配的单位无量纲切应力,即层流底层关系wUy1,则仅为广义壁面律中的中性情形之特例.广义湍流边界层概念的提出和直管内充分发展湍流广义壁面律的建立,对传统意义上的湍流边界层及其密切相关的平壁律物理机制和相应数学表述进行了重新认识和重要拓展,由此达到对泛型直管内充分发展湍流边界层再认知的目的.     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

平均壁函数法求光滑管渠流摩阻系数

前言紊流边界层内的流速分布可由普适的对数律表示,已在半经验的理论基础上总结出在各种雷诺数下均可适用的内层壁面律以及外层的速度亏损律.工程上也常常使用在经验基础上发展的指数律表示紊流边界层内流速分布,因而对数律与指数律这两种表达形式一直是并行、常用的,即:对数律     

关于边界层湍流能量耗散率的研究

应用PIV系统对湍流边界层内的耗散率标度律进行了实验研究,结果显示,对不同尺度上和3个不同法向位置湍滴耗散率标度律的湍流耗散主要发生在小尺度上,即湍流耗散率标度律在小尺度上具有普适性.并且随着尺度的不同,近壁面小尺度上的湍流耗散比较明显,远壁面上的湍流耗散率较小.     

有吹吸速度的外掠多孔平板湍流边界层的积分方法

具有吹吸速度的外掠多孔平板湍流流动特性是研究发散冷却和气膜冷却的基础,具有重要的理论研究意义.将湍流速度边界层划分为层流底层和湍流核心区,采用三次多项式和1/5次幂函数分别代表流体沿两个区域厚度方向的速度分布,通过积分方法建立了动量方程,利用四阶龙格-库塔法求解得到可渗透壁面湍流边界层速度场的理论解析解,同时获得了壁面摩擦系数.对比表明,解析解与Whitten、Blackwell试验结果以及Kays的经验公式符合得较为满意,证明了所提出的湍流理论模型的正确性.     

三角翼的可压缩外部绕流流场数值模拟

据Spalart-Allmaras模型建立了三角翼的可压缩外部绕流流动的数学模型,并考虑了近壁面流动的处理方法。利用Fluent软件模拟某三角翼周围的二维湍流流场,用空气绕流阻力、升力和力矩系数来监测解的收敛性,得到三角翼周围的速度矢量图、壁面切应力图及边界层分离点范围,显示了边界层及尾迹区的复杂流动。结果表明,数值模拟方法能真实反映边界层及尾迹区的复杂流动,为解决边界层分离问题和机翼设计提供理论依据。     

湍流边界层雷诺应力和壁脉动压强相位滞后分析

在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内进行测量,对相位滞后关系进行了实验研究,给出了湍流边界层内的雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势,分析结果表明剪切湍流涡粘模式中的涡粘系数应该是随时均流梯度变化的复数形式.     

无叶扩压器中恒定流的损失预测

本文分析了离心式压缩机无叶扩压器内流扬的特征,并建立了其内部流动的数学物理模型.认为沿无叶扩压器流道中分面具有非对称的粘性流动性质.在非径向流动时,其两侧壁上的边界层产生扭曲,并有一个从进口起始段到下游充分发展段的变化过程.文中着重对无叶扩压器的流动损失规律作了一些探讨,采用了内层变量表示的速度壁面律,以便计及边界层内部温度和径向压力梯度对速度分布和壁面摩擦系数的影响,从而提供了一种预测无叶扩压器性能的新方法.经不同进口条件下的实验验证,证明本文提出的性能预测方法是可行的,可以应用于粘性可压缩非对称流,也可以求解径向流和沿无叶扩压器中分面对称的流动.     

应用激光流体应变率仪测量壁面阻力

激光流体应变率仪是能将流体边界层的近壁区线性速度分布与菲涅尔双棱镜分光形成的干涉条纹的间距线性特性结合起来的测量仪器,能够直接测量固体表面边界层的速度梯度,而且不干扰流场,并由速度梯度可推出壁面剪切应力。用这种仪器在二维流动管道中进行了测量层流和湍流的初步试验。试验表明,对层流的测量结果与理论分析基本一致。因此,该仪器可作为流体边界层的壁面阻力测量及监视工具。     

Pr<1温度阶梯变化时平板层流换热问题的解

本文采用边界层积分方程组法,求解了Pr<1且带有绝热始段的外掠平板层流换热问题,得到了温度、速度边界层厚度之比和换热系数的数学表达式。     

无漂移的可压缩湍流边界层数据的生成

本文描述了一种用于生成时间相关的三维可压缩湍流边界层数据的数值方法.该方法最早始于Lund的应用于不可压缩湍流边界层的Rescale方法,后来Urbin,Stolz等人又分别将该方法推广到了可压缩湍流边界层.其基本思想是将下游提取的边界层数据通过van Driest变换和修正Crocco关系式来建立湍流边界层内外层的速度和温度相似律,根据该相似律分别构建入口处内外层的流动参数,然后将内外层参数通过权函数加权合成为入口条件.Sagaut指出,Urbin和Stolz提出的Rescale方法存在着边界层漂移问题,入口处的Re数无法固定的缺点.本文直接给定入口处的名义厚度和动量损失厚度来固定入口处的来流Re数,为了解决相应的入口条件超定问题,首先采用动量损失厚度来无量纲化边界层外层法向距离,然后将权函数中的常数设置为一个优化变量,通过对该变量的设计将内外层参数加权合成为入口剖面,使得生成的入口边界条件同时满足给定的名义厚度和动量损失厚度.最后,将该方法成功应用于M∞=3的可压缩湍流边界层数据的生成,计算结果和DNS结果保持一致,充分说明了方法的可行性和适用性.     

纵掠平板速度和温度边界层湍流转捩区的积分方法

转捩边界层内壁面摩擦和传热特性急剧变化,转捩区的速度和温度分布特性研究具有重要理论意义.以外掠平板空气为研究对象,将自然转捩边界层沿厚度方向划分为层流底层和准湍流层两部分,采用三次多项式代表层流底层、1/7.5和1/7幂指数函数代表准湍流层速度和温度分布,利用积分方法建立了动量和能量积分方程组,获得了转捩区速度场和温度场的显式表达式,同时确定了壁面摩擦系数和努塞尔数大小,通过四阶龙格-库塔算法获得了动量和热边界层厚度大小,同数值解、DhawanNarasimha解(D-N解)和Coupland基准实验结果对比表明,给定条件下理论解精度达到4.8%,证明了理论模型的正确性,对提出的转捩边界层特征参数进行了参数研究,并给出间歇因子对层流底层的影响规律.     

带协同流壁面射流的数值模拟模型及影响规律

针对下击暴流中的壁面射流模型,采用4种不同湍流模型的CFD方法比较分析了带协同流壁面射流在不同发展阶段的平均风剖面及雷诺应力等流场特性.结果表明,使用修正的雷诺应力模型(RSM)得到了与实验较为吻合的结果,对带协同流壁面射流的数值模拟是有效和准确的.使用修正的RSM分析了不同协同流和射流风速比β对壁面射流平均风剖面、壁面摩擦因数等参数的影响.分析结果显示:当β值从0.1增大到0.3时,相同位置处的速度越大,最大速度衰减越慢,壁面摩擦因数减小越快,内、外层相互作用越弱.     

利用重正化群方法推导非线性Reynolds应力模型

近年来,Rubinstein和Barton利用Yakhot和Orszag湍流重正化群方法推导非线性Reynolds应力模型,但是他们分析计算过程中存在着一些不自洽的地方.文中利用重正化群方法,对Reynolds应力的数学表达式作二阶微扰展开,从理论上推导得到非线性Reynolds应力模型,其数学形式与从量纲分析和数学物理性质的合理性讨论得到的通用模型形式完全相同,另外从理论上计算了各待定湍流常数.     

溢流反弧段的壁面摩阻特性的分析与计算

本文将流速对数律和流速指数律相联系,推导了溢流反弧段的摩阻流速的计算公式,对其进行了分析。并利用所量测的反弧段流速指数和边界层的资料,计算了不同粗糙度和不同曲率半径时反弧壁面摩阻流速及切应力等。     

大尺度类波形壁面湍流边界层TR-PIV实验研究

针对传统波形壁面因尺度微小所引发的加工困难、维护费用昂贵等问题,设计了一种大尺度的类波形壁面．对虎鲸的皮肤嵴结构进行放大和形貌改良,得到的大尺度类波形壁面可以更好地适用于工程实际;研究了大尺度类波形壁面对湍流边界层的影响,分析了其减阻效果及减阻机理．采取高时间分辨率粒子图像测速(TR-PIV)技术,对光滑壁面和振幅与波长之比分别为2a₁/λ=0.033、2a₂/λ=0.050、2a₃/λ=0.066的3种大尺度类波形柔性壁面湍流边界层流场进行了实验测量,对流场中的时空相关函数进行计算．分析一个波长范围内流向、法向速度及压力分布,发现波形结构下坡段附近的逆压梯度使得流动减速,爬坡段附近的顺压梯度则加速了流动,减速效果最强位置位于波谷,加速效果最强位置位于波谷始末,流场中的速度在两个极值内变化．对不同工况下类波形壁面末尾凹槽下游紧邻平板区域各阶统计量进行了对比,结果表明3种类波形壁面的平均速度剖面于对数区表现出不同幅度的抬升,近壁区平均速度均有不同程度增大;近壁区流场雷诺切应力具有明显的降低,近壁区湍流脉动被抑制,雷诺应力的...     

湍流泰勒涡流特性的数值模拟

利用数值解截断误差所形成的小扰动在雷诺应力方程(RSM)的数值迭代过程中的发展,求解具有内筒旋转和固定端面的同轴圆筒环隙间的湍流泰勒涡流;然后在数值模拟出湍流泰勒涡流的基础上,定量分析湍流泰勒涡流的周向速度的波动性及其壁面附近的速度陡降特性、沿半径向外的强射流特性、轴向速度周期分布特性、压力周期波动特性、壁面切应力极化特性和强湍动射流特性;对比前人对湍流泰勒涡流进行实测的结果,数值模拟湍流泰勒的流动特性误差在30%以内。     

湍流相干结构与壁压强脉动关联的小波分析

在风洞中同时测量平板湍流边界层的速度和壁面脉动压强,用小波分析法结合能量最大判别准则确定湍流边界层相干结构的时间尺度和壁压强脉动的时间尺度之间的关系．结果表明：压强脉动信号的小波能谱最大值对应的时间尺度与湍流边界层相干结构的特征尺度接近,可以利用壁面压强脉动信号的分析结果间接反映经过边界层的相干结构的时间特征．本研究选择复数Morlet小波作为小波母函数,有较好的分辨率．     

车身非光滑表面边界层流场特性分析

为了研究非光滑车身表面边界层流场特性,采用大涡模拟与Realizable k-ε湍流模型对车身外部瞬态和稳态流场进行数值模拟计算,对比分析了非光滑模型与光滑模型边界层内速度、粘性底层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度和湍流耗散率等流场参数,解析了非光滑表面对车身流场流动特性的影响.研究结果表明,非光滑模型边界层内速度明显高于光滑模型,边界层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度、湍流耗散率都比光滑模型有所减小.非光滑表面的引入加剧了车身尾迹气流的参混效应,防止外界的高速流对内部低速流的引射作用,从而减少了车身流场能量的损失.     

一种新型有压力梯度的平面层流边界层理论--机械能耗损积分法

提出了一种新的有压力梯度的层流平面边界层理论,可称为机械能耗损积分法,它是由两部分理论所组成的:第一部分包括不可压缩流体的应力微分方程以及从中导出的层流平面边界层流速与切应力分布的理论公式,式中包括一无因次型参数或相似准则P,P的数值表征不同层流平面边界层的流速与切应力分布.第二部分包括动量与动能积分方程以及由它们导出的机械能耗散积分方程和层流平面边界层厚度的理论公式.本理论同所有积分法一样,采用了横向流速为零的假定,但扬弃了普兰特假定,因而其压力梯度的使用范围不受约束,对忽略横向流所导致的理论误差,利用机械能耗损系数进行了修正,因而可取得较高的精度.对零攻角层流平面边界层的试算表明:其型参数P=-1,其流速分布与半槽道流相似,存在一顺压梯度而非现有理论所假定的为零压梯度,所有计算结果与实验比较在未修正前其误差不超过5%,在修正之后不超过1%.本理论采用了微分法与积分法各自的优点,是分析严谨、结构简便、计算精确的适用于任意压力梯度的层流平面边界层理论,其计算方法还可推广应用于湍流平面边界层.